Un método automatizado para delinear las áreas de drenaje de la infraestructura verde de aguas pluviales mediante SIG

Autores: Humaira Jahangiri¹, Virginia Smith^1* y Jonathan Nyquist²

La infraestructura verde de aguas pluviales (GSI, por sus siglas en inglés) es una solución para comunidades altamente urbanizadas que permite reducir los volúmenes de caudal de aguas pluviales y mitigar los contaminantes. Estimar correctamente el área de drenaje contribuyente es clave para diseñar una GSI que funcione bien. Para ayudar a delinear el área de drenaje contribuyente de la GSI en un paisaje urbano, se desarrolló un flujo de trabajo. A diferencia de la delineación de áreas de drenaje en zonas no urbanizadas, las zonas urbanas están supeditadas a la microtopografía (es decir, bordillos, aceras o edificios) y a la infraestructura de aguas pluviales (es decir, sumideros, cunetas o GSI) que alteran el flujo de la escorrentía. Este flujo de trabajo integral para la delineación de cuencas hidrográficas urbanas incorpora GSI, edificios y sumideros alterando el modelo digital de elevación (DEM) para que estas entidades formen parte del paisaje hidrológico.

El área de drenaje es la cuantificación del área que drena a un solo punto. Aunque se ha trabajado mucho en la delineación de drenajes y la GSI, todavía falta consenso sobre el mejor método para la delineación de áreas de drenaje en zonas urbanas. Los sitios pueden reportar diferentes áreas de drenaje según el método aplicado para estimar las áreas de drenaje y la resolución de los datos utilizados. Las áreas de drenaje pueden calcularse utilizando dibujos de AutoCAD o estudios físicos realizados durante un evento de tormenta. Ambos métodos presentan retos y fuentes de error, como los requisitos de tiempo e información.

Este flujo de trabajo de delineación proporciona un proceso automatizado creado en ArcGIS para encontrar el área de drenaje de forma eficiente y precisa. Los datos ráster utilizados para este análisis incluyen datos topográficos a distintas escalas, shapefiles de edificios, sumideros y GSI. Los datos topográficos de entrada para este estudio van desde la escala fina (resolución de 1 pie) hasta la escala gruesa (resolución de 10 pies) a partir de DEM derivados de LIDAR, DEM disponibles públicamente y DEM derivados de curvas de nivel. El estudio de caso de este flujo de trabajo es un sitio de GSI con dos jardines de lluvia conectados por una zanja de césped en South Philadelphia, Pensilvania. Este sitio fue desarrollado por el Departamento de Aguas de Filadelfia (PWD) e instrumentado y analizado por la Universidad de Villanova como parte de una beca Science to Achieve Results (STAR) de la Agencia de Protección Medioambiental (EPA). Este análisis forma parte de una investigación mucho más amplia sobre la GSI. El procedimiento completo de este análisis puede dividirse en tres fases: preprocesamiento de DEM, análisis de flujo y análisis de cuenca.

Se procesaron los DEM para eliminar los sumideros y picos de los datos mediante la herramienta Rellenar. Se crearon zonas de influencia para los desagües de aguas pluviales y las entidades de GSI para que coincidieran con el tamaño de las entidades de aguas pluviales. A continuación, se agregaron a las tablas de atributos las elevaciones de los desagües, la GSI y la infraestructura de los edificios. Después, los shapefiles de infraestructura se convirtieron en ráster con la herramienta De entidad a ráster.

Los nuevos archivos ráster de infraestructura se integraron con el DEM sin depresiones. Se utilizó la herramienta Suma para agregar la altura de los edificios y la herramienta Resta para sumir los desagües en el DEM. Los rebajes de los bordillos y la GSI se hundieron en el DEM derivado de LIDAR. Todos los resultados obtenidos con estas herramientas se fusionaron después en un único ráster mediante la herramienta Mosaico.

El DEM en mosaico se utilizó para analizar la dirección de flujo de cada celda mediante la herramienta Dirección de flujo, y luego se volvió a procesar para asignar un valor de acumulación basado en la dirección de flujo utilizando la herramienta Acumulación de flujo. Las líneas de flujo detalladas obtenidas a partir de DEM de mayor resolución incorporan la microtopografía del paisaje urbano, como se muestra en la figura 2. En cambio, las líneas de flujo de los DEM de menor resolución muestran menos líneas de flujo hacia las GSI y desagües de aguas pluviales más cercanos, lo que se traduce en una disminución de las líneas de flujo con un aumento del tamaño de cuadrícula del DEM.

Mediante la herramienta Cuenca de Spatial Analyst, se generaron las subcuencas de la GSI y los desagües. Estos archivos se convirtieron en polígonos de entidades. La herramienta Trazado de ruta de flujo de Arc Hydro ayudó a trazar las subcuencas aguas arriba y los desagües de aguas pluviales, lo que nos permitió identificar las subcuencas que drenan a la GSI. Estos polígonos de subcuencas se exportaron y el área total de drenaje se calculó en la tabla de atributos.

La figura 3 muestra las distintas áreas de drenaje obtenidas a partir de diferentes resoluciones del DEM. Las cuencas de drenaje de resolución más gruesa son más grandes y con formas menos complejas. El cálculo de las áreas que drenan a la GSI cambia, lo cual es un aspecto importante del diseño de GSI.

La tabla siguiente muestra las distintas áreas de drenaje de este sitio obtenidas a partir de diferentes resoluciones del DEM. Las áreas aumentan a medida que disminuye la resolución del DEM. Los DEM de resolución más gruesa suavizan la microtopografía, como los bordillos, las aceras y las coronas de las carreteras. Según los estudios de campo, el área de drenaje obtenida a partir del DEM de mayor resolución, la cuadrícula de 1 pie, es comparable al área de drenaje obtenida a partir de los estudios topográficos en el sitio (estimación del PWD) y, por lo tanto, es la más aceptable. El mismo análisis se realizó para otras ubicaciones, con resultados similares. Se está investigando más a fondo para encontrar la resolución óptima de DEM para el área de drenaje de delineación en el paisaje urbano.

1: Universidad de Villanova, Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Tolentine Hall 143, 800 Lancaster Ave, Villanova, PA 19085

2: Universidad de Temple, Departamento de Ciencias de la Tierra y Ambientales, Beury Hall, 1901 N. 13th St., Filadelfia, PA 19122-6081, EE. UU.

Autora de correspondencia: Virginia Smith 

Envío de preguntas a Virginia Smith, Virginia.Smith@Villanova.edu

Esta publicación se ha desarrollado en el marco del Contrato de asistencia n.º 83555601 adjudicado por la Agencia de Protección Medioambiental de Estados Unidos (EPA) a la Universidad de Villanova y el Departamento de Aguas de Filadelfia (PWD). No ha sido revisado formalmente por la EPA ni el PWD. Las opiniones expresadas en este documento corresponden únicamente a la Universidad de Villanova y no reflejan necesariamente las de la Agencia o el PWD. La EPA o la PWD no promocionan ningún producto o servicio comercial mencionado en esta publicación.